2.2.1 파형강판 기준

파형강판 암거의 국내 설계기준은 강구조설계기준(KDS, 2024)에 명시되어 있다. 설계기준에 명시된 파형강판 암거의 파형강판 규격은 파형의 피치, 깊이에 따라 TYPE-1과 TYPE-2로 구분하며 파형강판의 상세는 Fig. 4에 나타난 바와 같고 파형강판의 규격은 Table 1과 같다.

Fig. 4

Corrugation Profile and Dimensions

Table 1

Corrugated Steel Plate Specifications

2.2.2 구조적 뒤채움재료 설계기준

파형강판 지중구조물의 토피는 측면 뒤채움부와 함께 구조물의 연성거동을 보장하는 중요한 역할을 하므로 뒤채움부의 재료 결정에 주의하여야 한다. 본 연구에서 다루게 될 뒤채움재료의 역학적 특성과 적용 기준에 대한 설계기준은 다음과 같다.

강구조설계기준(KDS, 2024)과 CHBDC (2014)에 따르면 구조용 파형강판을 지중구조물에 사용하는 경우에는 주변의 일정한 영역을 구조적 뒤채움재로 다짐 시공해야 한다. 구조적 뒤채움재는 통일분류법에 의하여 Table 2와 같이 분류되는 재료를 사용하며 이때 적용되는 뒤채움흙의 탄성계수는 Table 3과 같다.

Table 2

Classification of Structural Backfill Materials based on the USCS

Table 3

Elastic Modulus of Soil Stiffness (E_s)

CHBDC (2014)에서는 시멘트와 골재 및 플라이애쉬의 혼합물로 이루어진 저강도 유동화재료(Controlled Low Strength Material, CLSM)를 뒤채움재로 사용할 수 있으며, 별도의 시험결과가 없을 경우에 할선탄성계수를 30 MPa로 적용토록 제시하고 있다. 한편 CHBDC Commentary (2000)에 따르면 Table 3에서 제시한 탄성계수가 Fig. 5에서처럼 파형강판의 지중상태에서 상부하중의 증가에 따라 흙의 탄성계수가 비례적으로 증가하게 되는 산정과정을 보여주고 있고, 탄성계수의 최대치인 30 MPa은 저토피고(2.5 m)에서 뒤채움재의 탄성계수를 보수적으로 산정한 것임을 알 수 있다.

Fig. 5

Buried Structure and Soil Section

Assuming an average soil depth = 2.5 and a unit weight of soil = 20 kN/m³

of soil =20kN/m3σv=2.5(20)    =50kPaσc=koσv    =25kPa for ko=0.5, Ej=kE100(25/100)0.5     =50kEkPa(σd)/(σd)f=2/3, andRF=0.75

Hence,

Es=50kE(1−0.66×0.75)    =25kEkPa    =0.025kEMPa

또한 AS/NZS (2011)에서는 Table 4에서처럼 수직응력에 따라 흙의 탄성계수가 비례적으로 증가하고 수직응력 420 kPa에서 최대 64.1 MPa까지를 적용 기준으로 정하고 있다.

Table 4

Elastic Modulus of Structural Backfill Materials Based on Vertical Stress Levels (E_s, MPa)

본 연구 대상지에 파형강판 구조물의 뒤채움재는 탄성계수와 내부마찰각 성능을 증가시킨 고화토를 적용하였으며, 이때 설계입력치로 적용한 탄성계수는 60 MPa이다.

고화토는 고화재를 이용한 화학적 안정처리를 통해 함수비 저하, 이온교환 단립화를 통해 소성한계가 높아지고 물성이 개선된다.

현장에 적용한 고화토는 중층과 표층에 대해 시공 단계별로 현장에서 채취한 샘플을 대상으로 9차례 걸쳐 Korean Agency for Technology and Standards (2022) 시험법으로 재령 7일, 재령 14일, 재령 28일의 압축강도를 측정하였고, 재령 28일에 대한 결과값은 Table 5와 같다.

Table 5

Results of Uniaxial Compressive Strength (KSF 2405, 28day strength, W/C:1.0)

고화토 지반정수의 산정은 경험적 추정방법에 따라 실내 시험에 의해 파악된 토질종류와 SPT시험에 의한 N값으로 조성 상태를 파악하여 추정할 수 있다. 현장에 적용된 고화토는 실험을 통해 평균 일축압축강도(qu)가 3.0 MPa 이상의 지반강도정수를 도출된 것을 고려할 때, 풍화암이나 조밀한 자갈층으로 적용할 수 있으며, 변형계수 및 포아송비도 이를 준용하여 적용한다. 탄성계수는 안정성을 고려하여 모래질 자갈에 준하는 경험식인 Eq. (1)과 같이 Schmertmann (1978)제안식을 적용하였으며, 적용된 설계정수는 Table 6과 같다.

Table 6

Design Parameters for Controlled Low-strength Material (CLSM)

여기서, E는 흙의 탄성계수, N은 SPT시험에서의 N치이다.

2.2.3 변형(처짐)기준

강구조설계기준(KDS, 2024)에서는 파형강판으로 제작된 아치형 구조물의 경우 Table 1에서 제시한 일반형은 별도로 규정한 구조물 높이(R)의 5% 이내, 대골형은 2% 이내로 정하고 있다. 박스형 파형강판 구조물의 경우에는 구조물 지간의 1% 이내로 명시되어 있다.

CHBDC (2014)에서의 시공중 변형에 대한 기준은 크라운부 Rise (높이)의 2% 이내로 제한하고 있고, 이때 변형이라 함은 상향 솟음과 하향 처짐을 모두 의미하는 것이다.

2.4.1 구조물 현황

본 연구 대상인 사업구간 중 계측대상으로 선정한 공원화 3구간의 구조물 현황은 Table 7과 같다.

Table 7

Structural Dimensions and Corrugated Steel Plate Properties

2.4.2 계측 개요

계측 위치는 토피 두께가 얕고 과다한 변위가 예상되는 지점과 파형강판의 단면형태가 변하는 지점에서 실시하고 그 위치는 Fig. 6과 같다. 또한 수치해석 모델링에 따른 단면해석 지점과 설계, 시공에 있어서 대표적인 지점, 일상계측 결과의 검증이 필요한 지점에 대해 좌, 우, 대각 방향으로 포인트를 선정하였으며 Fig. 7과 같다.

Fig. 6

Instrumentation Layout Plan

Fig. 7

Instrumentation Layout Cross-section

계측 수량은 공사시행 2개 구간(3, 4구간)에 대해 각각 5단면 및 6단면에 1단면 당 5개소를 측정하였고, 본 연구에서는 3구간을 대상으로 분석하였다. 계측기의 설치위치는 천단과 측벽에 설치하였고 측벽측은 천단을 기준으로 대칭이 되는 위치에 설치하여 초기치 측정 후 1회/60분을 연속 측정하고, 1주 단위로 데이터의 평균치를 산출하여, 터널의 형상변형을 관찰하고 안정성을 파악하였다.

계측에 사용된 자동광파기는 기압센서가 내장된 제품으로 프리즘 자동시준 기능을 가진 장비이며, 국토지리정보원의 측량기 성능검사를 통과한 제품이다. 기준용 및 계측용 프리즘은 안쪽에 구리코팅이 되어있어 외부영향에 움직임이 없도록 가공된 제품으로 Fig. 8과 같다. 제어프로그램용 PC는 자동광파기 제어 및 측정된 원시데이터를 저장하고 서버로 전송이 가능하며, 통신단절 시에도 측정을 실시하고 통신 연결 시 저장된 데이터를 서버로 전송 하는 자동전원장치가 탑재된 제품이다.

Fig. 8

Instrument Installation View

2.4.3 계측결과

시공단계별 모델링 결과와 비교를 위해 단계별 시공내용을 고려하여 조립 후 보강콘크리트 채움 5단계와 성토완료 후 5단계를 포함하여 총 30단계로 구분하여 정리하였고 최대 변형이 일어난 천단부인 D3 위치의 각 지점별 변위는 Fig. 9와 같다(Jinhung Co., 2023).

Fig. 9

Measured Vertical Displacement at the Crown

2.4.4 계측결과 해석

수직변위는 파형강판의 조립 완료 후 초기 변형값을 반영하여 보강 콘크리트 채움 시작 단계부터 해석한 결과로, 시공단계별 변위 그래프에서 음(-)의 값은 천단부의 하부로의 처짐을 의미하고 양(+)의 값은 상부로의 솟음을 의미하며, 장지간 보강형 파형강판과 채움 콘크리트 자중 영향으로 초기 변형이 일반적인 파형강판에서의 솟음이 아니라 처짐이 발생하는 특성을 보였다.

계측 최대변위는 파형강판의 끝단부에서 53 m 떨어진 지점인 NO. 378 지점에서 –128 mm (처짐)~ + 39.9 mm (솟음)을 보였고, 이는 파형강판 설계기준에 따른 허용변위량 ± 201 mm (Rise 높이 10.02 m × 2%)의 19.8%~63.7%에 해당하며 허용기준 내에 있다.

조립후 콘크리트 채움이 시작될 때 천단부는 하부로의 처짐 변형이 일어나고 상부 천단부의 콘크리트 채움이 완료되는 시점에서 큰 폭의 처짐이 일어나게 되는데 이는 보강 콘크리트의 마지막 단계인 천단부에 콘크리트를 타설함에 따른 것이다.

Fig. 10에서 보는 것처럼, 양쪽 PC BOX와 파형강판 사이 1 m 가량의 좁은 폭에 유동화토(CLSM) 채움을 시작할 때, 상부로의 솟음이 일어나게 되며, 이 구간에서 변위가 음에서 양으로 크게 바뀌는 것을 알 수 있다. 고화토 성토를 완료할 때까지 지속적으로 상부 솟음을 유지하다가, 뒤채움 흙의 시공을 시작한 이후 상부토사 다짐 시공을 할 때 하부처짐이 발생하고, 성토 완료 후에 뒤채움재의 응력분담 효과에 따라 안정적인 처짐형태를 유지하게 되는 특성을 보였다.

Fig. 10

Backfill Cross-section

2.5.1 해석조건

파형강판 구조물은 실제 파형강판 시공과정을 모델링한 것으로 관용식 검토에서 수행하기 불가능한 다중 뒤채움 토사를 적용하고 다양한 뒤채움의 토사라인을 반영하여 뒤채움 시공단계를 실제와 유사하게 모사하여 검토를 시행하였으며, 해석상 흙의 거동은 탄성거동을 하는 것으로 가정하고 파형강판은 등가의 등방성판으로 치환하여 강판으로 모델링하고, 고화토는 흙과 같이 탄성거동하는 것으로 간주하고 모델링 하부 및 측면의 경계조건을 Roller로 처리하였다.

수치해석은 Midas GTS NX를 이용하였으며 파형강판의 등가환산 단면계수에 대한 제원은 Table 10과 같고, 토질입력 정수는 Table 11과 같다.

Table 10

Equivalent Section Properties of the Corrugated Steel Plate

Table 11

Input Parameters for Numerical Modeling of Backfill Materials

2.5.2 유한요소 해석결과

유한요소 해석에 대한 단계별 변위결과는 Table 12와 같고, 단계별 시공에 따른 변위 변화를 Fig. 11에 나타냈다. 계측과의 비교를 위해 보강 콘크리트 타설 완료 후 파형강판의 자중을 반영한 해석상 변위값인 하향처짐 76.14 mm을 초기화하지 않고 유동화토 타설 시 최초 처짐값으로 설정하였다.

Table 12

Vertical Displacement at Each Stage from Finite Element Analysis

Fig. 11

Results of Vertical Displacement

해석상 최대처짐은 유동화토 포설 전 콘크리트 빔보강단계인 최초 단계에서 일어나고 이후 뒤채움 단계에서 상부 솟음 방향으로 변형이 회복되며 천단부 뒤채움이 완료되어 토사다짐을 시행할 때 흙의 응력분담 효과에 따라 최소처짐이 발생하게 된다. 대골형 파형강판의 허용변형량(± 201 mm)에 비해 37.9%의 변형이 발생하는 것으로 나타났다.

2.5.3 변형계측과 해석결과의 비교

계측과 해석결과를 비교한 결과, 최대처짐이 발생하는 단계는 계측의 경우, 조립완료 단계인 Assembly 5단계에서 128 mm의 최대처짐(5개 지점 평균 56.2 mm)이 발생하였고, 유한요소 해석의 경우, 1 Step 단계인 콘크리트 빔 보강된 파형강판의 자중이 반영된 하향처짐값 76.14 mm로 나타났다. 이는 최대 처짐이 일어나는 단계가 동일함을 보여준다. 계측과 해석 모두 최대처짐 이후 단계별 뒤채움 시 처짐이 점차 회복되었고, 정점부까지 뒤채움을 완료할 때 하향 처짐이 발생하면서 변형이 일정값에 수렴되었다. 단, 유한요소 해석에서는 최대, 최소 변형의 차이가 27.36 mm인 반면, 실제 계측에서는 76.52 mm의 차이가 발생하여 실제 시공시변형의 변동폭이 더 큰 것으로 나타났다.